Optische 3D-Sensoren mit hoher Dateneffizienz
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Projektes ist, Methoden zu finden, mit denen optische (3D-)Messung informationseffizient möglich ist. Diese informationstheoretische Fragestellung ist wichtig, da die meisten optischen 3D-Sensoren ein großes Maß an 2D-Rohdaten oder Rohbildern benötigen (große Kanalkapazität erforderlich), um schließlich dreidimensionale Daten zu gewinnen. Für diese Rohdaten ist ein hoher „Preis“ zu zahlen. Dieser geht zurück auf teure Kameras und andere Hardware, aber auch auf die Tatsache, dass viel Zeit nötig ist, die Daten aufzunehmen. Wir haben wegen der hohen Messgenauigkeit und der Materialunabhängigkeit der Ergebnisse besonders die Weißlichtinterferometrie (WLI) betrachtet. Steigende Anforderungen an die Messgeschwindigkeit bringen die WLI aber an die technologischen Grenzen. In diesem Projekt sind Wege zur Erhöhung der Informationseffizienz und der damit verbundenen Reduzierung der Messzeit der WLI ohne Genauigkeitseinbuße untersucht worden. Um die Informationseffizienz zu steigern, ist eine wesentliche Maßnahme, zunächst das Korrelogramm (die zeitliche Kohärenzfunktion) in größeren Schritten abzutasten, unter Verletzung des Abtasttheorems. Ergebnis: mit den besten Algorithmen kann die Messzeit bei gleich bleibender Messgenauigkeit um den Faktor 10 und unter Einbuße an Genauigkeit um den Faktor 15 verringert werden. Die Unterabtastung ist jedoch sehr empfindlich gegen ungleichmäßige Bewegung des Verschiebetischs und man kann für sehr genaue Ergebnisse nicht an die o.g. Grenze gehen. Für die weitere Steigerung der Informationseffizienz wird eine neue Messstrategie vorgestellt, nach dem Prinzip der Quadraturdemodulation: damit ist eine direkte Rekonstruktion der Korrelogramm-Einhüllenden möglich, ohne den Umweg über die vollständige Abtastung. Die neue Messstrategie erlaubt eine Verringerung der Messzeit um den Faktor 20, ohne die Nachteile der Unterabtastung. Das Verfahren ist informationstheoretisch „optimal“: man erreicht prinzipiell die minimal mögliche Anzahl der Abtastpunkte. Zur Bestimmung des Einhüllenden-Maximums sind nur sechs Messpunkte notwendig. Die erreichbare Informationseffizienz liegt bei 15 Prozent. Für Objekte mit großem Tiefenmessbereich oder für krumme blanke Objekte sind weitere Maßnahmen notwendig. Für viele Anwendungen ist die Grundform des zu messenden Objekts bekannt. Diese a-priori Information erlaubt die gezielte Anpassung der beleuchtenden Wellenfront auf das gemessene Objekt. Bekannt ist das Twyman-Green Interferometer, für sphärische Oberflächen. Wir haben die Idee für die häufig vorkommenden konus- und zylinderförmigen Objekte erweitert. Die Anpassung wird realisiert mit einem Kegelspiegel oder mit einem Kegelprisma im Beleuchtungsstrahlengang. Damit konnten sehr kleine und tiefe Einspritzdüsen in Kooperation mit einem Automobilzulieferer gemessen werden. Aus der im Antrag genannten Idee der Kombination des Messprinzips WLI mit Fokussuche hat sich inzwischen ein neues Messprinzip für die mikroskopische 3D-Messung herauskristallisiert. Das Verfahren basiert auf “Mikroskopie mit strukturierter Beleuchtung“ (inzwischen als „SIM“ bekannt). Ein Gitter wird in die Bildebene des Mikroskops projiziert. Durch Auswertung des lokalen Gitterkontrastes erhält man ein Schnittbild und durch Abtastung entlang der optischen Achse die 3D-Topografie. Damit ist es möglich, raue und blanke Oberflächen (auch stark gekrümmt) wie Mikrolinsen und Wafer) effizient zu vermessen. Das Verfahren ist rein lokal, es ist nicht auf Nachbarschaftsinformation, bzw. Mikrostruktur angewiesen, anders als passive Fokussucheverfahren. Bei den Untersuchungen im Rahmen des Forschungsantrages ist die Idee aufgekommen, die 3D-Vermessung von technischen Oberflächen (matt und blank) mit strukturierter Beleuchtung aufzugreifen. Das Verfahren ist in der Biologie unter „Structured Illumination Microscopy, kurz SIM“ bekannt und wurde von unserer Arbeitsgruppe bereits vor etwa 20 Jahren vorgestellt. Inzwischen erlaubt die verfügbare Technologie eine Messung (abhängig von der Oberflächenrauigkeit) bis zu Nanometer-Genauigkeit, was wir in ersten Experimenten zeigen konnten. Die Hardware ist die gleiche wie bei der Mikro-Deflektometrie. So lassen sich in einem Instrument Deflektometrie für die präzise Neigungsmessung und die Messung der 3D-Oberflächentopografie kombinieren. Dazu haben wir kürzlich einen DFG Antrag gestellt. Wir wollen die beiden neuen Prinzipien für die Vermessung von mikroskopischen Objekten (MEMS, Mikro-Linsen) aber auch von makroskopischen Asphären einsetzen. Aus der engen Zusammenarbeit mit der Industrie wissen wir, dass die WLI für die Qualitätskontrolle beim sog. „Packaging“ in der Halbleiterindustrie sehr nützlich ist. Dabei werden die Kontakte präzise vermessen. Die Anforderungen an das Orts-Bandbreite-Produkt sind in den letzten Jahren erheblich gestiegen. Vier Megapixel und Messzeiten unter einer Sekunde sind eine große Herausforderung. Unsere Konzepte zur besseren Informationseffizienz haben sich bereits bewährt und ein neuer Sensor, der diese Konzepte ausnutzt, wird demnächst industriell eingesetzt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Im Spiegelkabinett, Mikroproduktion 1 (2007)
Martin Kurz, Ondrej Hybl, Dirk Oberschmidt, Gerd Häusler
- Deflektometrie macht der Interferometrie Konkurrenz, XXII. Messtechnisches Symposium des AHMT, 13-24 (2008) , J. Czarske (Ed.), Shaker Verlag, Aachen
Markus C. Knauer, Claus Richter, Ondrej Hybl, Jürgen Kaminski, Christian Faber, Gerd Häusler
- Information Efficient White-Light Interferometry, DGaO-PROCEEDINGS (2008)
Ondrej Hybl, Andreas Berger, Gerd Häusler
- Microdeflectometry—a novel tool to acquire three-dimensional microtopography with nanometer height resolution, Optics Letters 33, 4, 396-398 (2008)
Gerd Häusler, Claus Richter, Karl-Heinz Leitz, Markus C. Knauer
- Schnellere Weisslichtinterferometrie durch Unterabtastung, DGaO-PROCEEDINGS (2008)
Andreas Berger, Ondrej Hybl, Reibhard Gross, Claus Richter, Gerd Häusler
- White-light interferometry on rough surfaces - measurement uncertainty caused by surface roughness, Applied Optics 47, 2941-2949 (2008)
Pavel Pavlicek, Ondrej Hybl
- Deflektometrie macht der Interferometrie Konkurrenz, tm - Technisches Messen, 76, 175-181 (2009) , Oldenbourg, München
Markus C. Knauer, Claus Richter, Ondrej Hybl, Jürgen Kaminski, Christian Faber, Gerd Häusler
- Full 3D acquisition of cylinders and cones within a few seconds, DGaO-PROCEEDINGS (2009)
O. Hýbl, G. Häusler
- Ultrafast 4-Megapixel White-Light-Interferometry, DGaO-PROCEEDINGS (2009)
Reinhard Gross, Ondrej Hybl, Peter Ettl, Beno Knapp, Gerd Häusler
- Information efficient and accurate Structured Illumination Microscopy (SIM), DGaO-PROCEEDINGS (2010)
Alexander Kessel, Markus Vogel, Zheng Yang, Christian Faber, Markus C. Seraphim, Gerd Häusler
- Information efficient white-light interferometry, Precision Interferometric Metrology, ASPE 2010 Summer Topical Meeting (2010)
Ondrej Hybl, Gerd Häusler
- Tuning Structured Illumination Microscopy (SIM) for the Inspection of Micro Optical Components, DGaO-PROCEEDINGS (2010)
Markus Vogel, Alexander Kessel, Zheng Yang, Christian Faber, Markus C. Seraphim, Gerd Häusler
